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Electrónica Industrial Tema 11. Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores

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Unidad 11

Introducción a los microprocesadores y

microcontroladores

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Septiembre 2002


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CONTENIDO

Unidad 11. Introducción a los microprocesadores y microcontroladores.

11.1 Elementos básicos de un sistema microprocesador. 11.2 Microprocesadores frente a microcontroladores. 11.3 Arquitectura del PIC16F84. 11.4 Fundamentos de programación del PIC16F84. 11.5 Ejemplos de programación del PIC16F84.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ! Estudiar los bloques básicos de un microprocesador. ! Comprender la diferencia entre lenguaje máquina y lenguaje

ensamblador. ! Comprender el funcionamiento básico de una CPU. ! Estudiar la arquitectura básica del microcontrolador PIC 16F84 ! Distinguir entre puerto de E/S dedicado y puerto de E/S “mapeado” en

memoria. ! Estudiar la E/S por sondeo (“polling”), la E/S controlada por

interrupción, y las interrupciones software. ! Saber programar aplicaciones sencillas en un PIC16F84.


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1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA

MICROPROCESADOR

El microprocesador

El microprocesador es un circuito integrado digital que puede programarse con una serie de instrucciones, para realizar funciones específicas con los datos. Cuando un microprocesador se conecta a un dispositivo de memoria y se provee de dispositivos de entrada salida, pasa a ser un sistema microprocesador.


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MICROPROCESADOR

• Existen tres bloques funcionales básicos: CPU, memoria y puertos. • Los tres se encuentran conectados mediante buses. • Los dispositivos de entrada y salida se conectan mediante puertos. • Un puerto es una interfaz física de una computadora a través del la cual

pasan los datos hacía y desde los periféricos. • Los programas son un conjunto de instrucciones que entiende la CPU y que

se ejecutan para resolver un problema específico. El programa se almacena en memoria.

• Cada posición de memoria tiene asignada una dirección exclusiva. • Las instrucciones son leídas por la CPU a través del bus de datos cuando

ésta las solicita. • La CPU las interpreta, y las ejecuta secuencialmente. Con frecuencia las

instrucciones vienen acompañadas de datos o direcciones, con objeto de modificarlos.

• La CPU genera señales de control para coordinar las transacciones.

Memoria

Puerto de entrada

CPU (µP)

Puerto de salida

Periférico (Teclado,

ratón, monitor)

Periférico (Impresora,

monitor)

Bus de direcciones

Bus de datos

Bus de control


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MICROPROCESADOR

Unidad central de proceso(CPU) (I). Unidades funcionales

Es un circuito de gran escala de integración que contiene la CPU completa de una computadora en un único circuito integrado. Los microprocesadores contienen diversas unidades funcionales que realizan trabajos específicos. El modo de relacionarse entre ellas establece la arquitectura interna del µP, el conjunto de instrucciones disponibles y el modo de ejecutarse cada una de ellas.

6800 de Motorola Unidad aritmético lógica (ALU) Es el elemento clave de procesamiento del µP. Esta gobernada por la unidad de control. Se utiliza para realizar operaciones aritméticas y lógicas. Los datos de la ALU se obtienen de la matriz de registros. Matriz de registros Es la colección de registros disponibles pro el programador dentro del microprocesador. Existen también, registros invisibles no disponibles por el programador. Unidad de control Proporciona las señales de temporización y control.


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MICROPROCESADOR

Unidad central de proceso(CPU) (II). Buses

Bus de direcciones Es un bus de un solo sentido a través del cual el microprocesador envía un código de dirección a una memoria o dispositivo externo.

16 líneas = 216= 65.536 posisiones = 64 K (8080) 20, 24 bits

32 líneas = 232= 4.294.467.296 = 4 Gigas (Pentium)

Bus de datos Es un bus de dos sentidos (8, 16, 32 o 64 bits). Bus de control Señales para ciclos de lectura / escritura, ciclos de espera, interrupciones, etc.


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MICROPROCESADOR

Unidad central de proceso(CPU) (III)Programación. Todos los µP disponen de un conjunto básico de instrucciones que se pueden agrupar según su funcionalidad. En el Pentium se pueden distinguir siete grupos básicos:

• Transferencia de datos. • Aritmética. • Manipulación de bits. • Bucles y saltos. • Cadenas de caracteres. • Subrutinas e interrupciones. • Control del procesador.

Las instrucciones son decodificadas antes de que sean ejecutadas. A las instrucciones en código binario se denomina lenguaje máquina. Con objeto de no escribir los programas en lenguaje máquina se utilizan nemónicos que constituyen lo que se conoce como lenguaje ensamblador. Los programas ensambladores se encargan de traducir los nemónicos en código máquina. También incluyen pseudo-instrucciones necesarias para facilitar la programación (reserva de zonas de datos, código, stack, variables, etc.). Un compilador traduce las instrucciones de un lenguaje de alto nivel máquina.


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2. MICROPROCESADORES VS MICROCONTROLADORES.

Concepto general de microcontrolador.

" Es un C.I. que contiene todos los componentes de un computador.

Aplicaciones

1. Periféricos y dispositivos auxiliares de los computadores. 2. Electrodomésticos. 3. Aparatos portátiles y de bolsillo (tarjetas, monederos, teléfonos..) 4. Máquinas expendedoras y juguetería. 5. Instrumentación. 6. Industria de automoción. 7. Control industrial y robótica. 8. Electromedicina. 9. Sistema de navegación espacial. 10. Sistemas de seguridad y alarma. 11. Domótica en general.

Control del motor

Antideslizamiento

Panel de instrumentos Control de velocidad Sistema de navegación Control climatización

Sistema antirrobo


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Arquitectura Von Newman VS Harvard

Algunos microcontroladores optimizan su operatividad mediante una arquitectura Harvard.

Memoria

Procesador (CPU)

Entrada/Salida

Bus de

Bus de direcciones

Bus de control

Bus de control

Bus de direcciones

Bus de datos

Memoria datos

Procesador

Memoria programa

Bus de datos (instrucciones) Bus de datos de memoria de programa

Bus de direcciones de memoria de programa


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Implantación en el mercado

Algunos fabricantes de µC con algunos modelos.

Fabricante Modelos de µC

INTEL 8048, 8051, 80C196, 80186, 80188, 80386EX

MOTOROLA 6805, 68HC11, 68HC12, 68HC16, 683XX

HITACHI HD64180

PHILIPS Gama completa de clónicos del 8051

SGS-THOMSON (ST) ST-62XX

MICROCHIP PICs

NATIONAL SEMICONDUCTOR COP8

ZILOG Z8, Z80

TEXAS INSTRUMENTS TMS370

TOSHIBA TLCS-870

INFINEON C500

DALLAS DS5000

NEC 78K

Ranking europeo de ventas de MCU de 8 bits (año 1999).


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3. ARQUITECTURA DEL PIC16F84

Microcontroladores PIC de Microchip

En la actualidad se emplean cada vez más debido a:

# Velocidad # Precio # Facilidad de uso # Información y herramientas de apoyo.

Gamas # PIC12C5X, gama baja o clásica ( palabra de programa de 12 bits). # PIC16CXXX, gama media (palabra de programa de 14 bits). # PIC17CXXX, PIC18XXX, gama alta (palabra de programa de 16 bits).

Familia Descripción PIC12C5XX 8-Pin, 8-Bit CMOS PIC12C67X 8-Pin, 8-Bit CMOS con Convertidor A/D PIC12F6XX 8-Pin, 8-Bit Flash con EEPROM y A/D PIC16C5X EPROM/ROM 8-Bit CMOS PIC16C55X EPROM-Based 8-Bit CMOS PIC16C6X 8-Bit CMOS PIC16X62X 8-Pin EPROM-Based 8-Bit CMOS con Comparador PIC16C64X 8-Bit EPROM con Comparador analógico PIC16C7X 8-Bit CMOS con convertidor A/D. PIC16C71X 18 Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D. PIC16C43X 18/20 Pin, 8-Bit CMOS con bus LIN. PIC16C78X Convertidor A/D, D/A, amplificador operacional, comparadores y PSMC. PIC16C7X5 8-Bit CMOS, A/D , para aplicaciones de USB, PS/2 y dispositivo serie. PIC16C77X 20-pin, 28-pin y 40-Pin, 8-Bit CMOS con convertidor A/D 12-bit. PIC16F87X 28/40-Pin, 8-Bit CMOS FLASH con convertidor A/D 10-bit . PIC16X8X 18-Pin, 8-Bit CMOS FLASH/EEPROM Microcontrollers PIC16F7X 28/40-pin 8-bit CMOS FLASH PIC16C9XX LCD, convertidor A/D 8 y 10-bit . PIC17C4X 8-Bit CMOS EPROM/ROM, alto rendimiento. PIC17C75X 8-Bit CMOS EPROM, alto rendimiento PIC18CXXX 8-Bit, arquitectura mejorada. PIC18F0XX 8-Pin, 8-Bit FLASH con EEPROM, PLVD, BOR y PWM. PIC18FXX2 Protección de código, 256 EEPROM, LVD, PLL, SLEEP ,multiplicador 8x8 , PSP. PIC18FXX31 28/40-Pin FLASH con EEPROM, PLVD, PBOR, A/D 10-bit PWM.


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Arquitectura general

Características generales.

# Consta de una ALU, decodificador de instrucciones, y una matriz de registros.

# Incluye también un módulo de memoria para programa y una memoria auxiliar para datos del tipo EEPROM, por si falla la alimentación.

# Arquitectura Harvard. # Bus de datos de 8 bits, bus de instrucciones de 14 bits. # Conjunto de instrucciones reducido, RISC (35 instrucciones). # Las instrucciones se ejecutan en 1 ciclo, excepto los saltos (2 ciclos). # Dispone de dos puertos de entrada salida. # Entradas multiplexadas para interrupciones y el contador/temporizador. # Dispone de un perro guardian o watchdog.


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Memoria de programa

# Tipo Flash integrada en el propio chip. # Memoria de 1K x 14 (000h – 3FFh).

# En la posición 000h está el Vector de Reset.

o Conexión alimentación o Al aplicar 0V al terminal MCLR o Desbordamiento perro guardián (watchdog).

# En la posición 04h está el Vector de Interrupción. o Activación del pin INT o Desbordamiento del temporizador TMR0 o Cambio de estado en pines RB4 - RB7 o Final de escritura en la EEPROM de datos.

# Todo lo grabado (datos y programa) se puede modificar sobre el circuito por las antradas series RB6(clk)/RB7(datos)


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Memoria de datos

Tipo SRAM

Dos bancos o páginas de 128 registros de 8 bits. o Página ‘0’ ⇒ 80 registros: 12 especiales

(SFR) y 68 generales (GPR). o Página ‘1’ ⇒ 12 registros de funciones

específicas (SFR). Tipo EEPROM

• 64 registros de 8 bits cada uno. La información puede permanecer hasta 40 años.

• No se puede acceder a los mismos de una manera directa, sino que hay que hacerlo por medio del los Registros de Función Específica (SFR).


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Puertos de entrada /salida

PUERTO RA0-RA4

Puerto bidireccional de Entrada/Salida. RA4/T0CKL puede comportarse como una Entrada/Salida normal, o bien como una entrada de reloj del contador/temporizador TMR0. PUERTO RB0-RB7

Puerto bidireccional de Entrada/Salida. RB0/INT puede ser utilizado como una entrada de interrupciones. RB4/RB7 pueden ser utilizados para generar interrupciones ante un cambio de nivel. RB6/RB7 pueden ser utilizados para programa el PIC.


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Recursos auxiliares (I)

Oscilador

# Mediante los condensadores y el oscilador se puede seleccionar la frecuencia del reloj: 455KHz, 2 MHz, 4MHz, 8MHz y 10 MHz.

# Ciclo de instrucción = 4 · Periodo de reloj

Ejemplo: Frecuencia de reloj = 4MHz ⇒ Periodo de reloj = 250ns.

Ciclo de instrucción = 1/Fosc x 4 = 250 ns x 4 = 1 µs.

Estado de reposo (SLEEP)

# Consumo < 3µA


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Recursos auxiliares (II)

Temporizador/Contador Consiste en un contador cíclico de 00h a FFh. Cuando se llega a FF se produce un desbordamiento. Dos modos de trabajo:

# Temporizador: determinar intervalos concretos de tiempo. Se incrementa con cada ciclo de instrucción o divisor.

# Contador: contar impulsos producidos en el exterior del sistema. Perro guardián (watchdog)

# Temporizador independiente del reloj principal. Tiene su propio oscilador, luego sigue funcionando en modo de bajo consumo.

# Permite detectar cuando se ha “colgado” el programa. Cuando llega a FFh, se produce el desbordamiento y se provoca el RESET del PIC.

# El tempo típico de un ciclo es de 18 ms. pero se puede ampliar a 2,5 seg.

Electrónica Industrial Tema 9. Introducción a los Microprocesadores y Microconytroladores

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Distribución de los terminales

# VDD y VSS : Alimentación (2 V - 6 V).

# MCLR (Master Clear): Reset cuando la tensión < 1,7V . # RA0- RA4: Entradas/salidas del puerto A.

o IO = 20mA; ∑ IO = 50mA

o II = 25mA; ∑ II = 80mA

o RA4/T0CK1 puede ser contador/temporizador externo TMR0. # RB0-RB7: Entradas/salidas del puerto B.

o IO = 20mA; ∑ IO = 100mA

o II = 25mA; ∑ II = 150mA

o RB0/INT puede ser interrupción externa. # OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT : conexión del oscilador del reloj

principal.

+5V

27pF RA0

RA1

PIC16F84

OSC1 OSC2 VDD RB7

RB6 RB5 RB4

RA2

RA4/T0CKI VppMCLR /

VSS RB0/INT RB1 RB2 RB3

RA3

27pF

Cristal 4MHz

VDD

10K

100


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Periféricos de entrada/salida

Pulsadores

Interruptores

Diodos LED

Relés

Rebotes

Pulsación

IN R

S


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4. FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN PIC16F84

Conceptos generales

Un programa es un conjunto ordenado de instrucciones cuya ejecución determina el procesado de los datos y la obtención de resultados. EL PIC16F84 entiende un juego de 35 instrucciones (14 bits).

Estructura del programa

Modelo de procesador y sistema de numeración List p=16F84 ;Se utiliza el microcontrolador PIC16F84 Radix hex ; Se usará el sistema hexadecimal

Variables ESTADO equ 0x03 ;La etiqueta “ESTADO” está asociada a la dirección 0x03 PUERTAA equ 0x05 ;La etiqueta “PUERTAA” está asociada a la dirección 0x05

Origen del programa

org 0x00 ;Inicio de programa org 0x00 ;La siguiente instrucción estará al inicio de la memoria goto INICIO ;Salta a la dirección etiquetada con INICIO org 0x05 ;La siguiente instrucción estará en la dirección 0x05

INICIO

------- -------

end Cuerpo del programa y final

....... ...... end


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5. EJEMPLOS DE PROGRAMACIÓN

Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de

memoria (I)

# Instrucción mov. Permite transferir el contenido de un registro fuente f a un registro destino d. En los PIC todos los datos residen en posiciones de la memoria de datos a excepción del registro W. La instrucción mov puede mover tres tipos fundamentales de operandos:

1. El contenido del registro W. 2. El contenido de una posición de memoria de datos. 3. Un literal o valor.

# movf f,d : mueve el contenido del operando fuente f (posición de la memoria de datos) al destino d (puede ser W o la propia fuente).

# movwf f : mueve el contenido del registro W a la posición de memoria especificada por f.

# movlw k : mueve el valor k al registro W. # addwf f,d : suma el contenido del registro W con el de f y deposita el

resultado en W si d = 0 (o W), o en f si d = 1. # addlw k : suma al contenido del registro W el valor k y deposita el resultado

en W.

Banco 0 00h Registros

especiales 0Bh 5 0Ch OPERANDO1 2 0Dh OPERANDO2

¿?? 0Eh RESULTADO 4Fh


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Ejemplo 1 - Sumar el contenido de dos posiciones de

memoria (II)

List p=16f84 OPERANDO1 equ 0x0C OPERANDO2 equ 0x0D RESULTADO equ 0x0E org 0x00 ;origen INICIO movlw 0x05 ;W ← ‘5’ movwf OPERANDO1 ;OPERANDO1←W movlw 0x02 ;W ← ‘2’ movwf OPERANDO2 ;OPERANDO2←W addwf OPERANDO1,W ;OPERANDO1+W →W movwf RESULTADO ;RESULTADO ←W end

INICIO

Declaración de variables

OPERANDO1 ← ‘5’ OPERANDO2 ← ‘2’

RESULTADO = OPERANDO1 + OPERANDO2

END


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Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (I)

Banco 0 Banco 1 00h 80h

03h STATUS 83h 05h PORTA TRISA 85h 06h PORTB TRISB 86h 0BH

Registro STATUS (dirección 03h) RP1 RP0

bit7 bit0 # bit 6 – 5: RP0-RP1 Selección del banco de registros

00 = Banco 0 01 = Banco 1

Registro PORTA (dirección 05h Banco 0) -- -

- --

RA4/T0CKI RA3 RA2 RA1 RA0

bit7 bit0 -- : los tres primeros bits de PORTA siempren se leerán como ‘0’

Registro TRISA (dirección 05h Banco 1) -- -

- --

TRISA4 TRISA3 TRISA2 TRISA1 TRISA0

bit7 bit0

2 x 10K

3x 680

+5V

27pF

RA0 RA1

PIC16F84

OSC1

OSC2

VDD

RB7

RB6

RB5 RB4

RA2

RA4/T0CKI

VppMCLR /

VSS

RB0/INT

RB1

RB2 RB3

RA3

27pF

4MHz

10K

100

VDD

VDD VDD

10K


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Ejemplo 2 - Leer y sacar datos por los puertos (II)

Aparecen en este ejemplo algunas instrucciones nuevas: # bsf f,d : pone a ‘1’ el bit d del registro f . # bcf f,d : pone a ‘0’ el bit d del registro f . # goto etiqueta : salta hasta la instrucción que va precedida por la etiqueta.

List p=16f84

STATUS equ 0x03 PORTA equ 0x05 PORTB equ 0x06

org 0x00 goto INICIO org 0x05 ;salta el vector de interrupción

INICIO bsf STATUS,5 ;cambia al banco1 movlw b’00000000’ ;W ← ‘00’ movwf PORTB ;TRISB←W (PORTB salidas) movlw b’00011111’ ;W ← ‘FF’ movwf PORTA ;TRISA←W (PORTA entradas) bcf STATUS,5 ;cambia al banco0 BUCLE movf PORTA,W ;W ← PORTA movwf PORTB ;PORTB ← W goto BUCLE end

INICIO


PORTB ← PORTA

Configuración de E/S


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Ejemplo 3 - Leer y sacar datos por los puertos, condiciones

(I)

El LED se ilumina cuando se cierra el interruptor. Este ejemplo incorpora las instrucciones: # btfsc f,d : salta una instrucción si el bit d del registro f es ‘0’, si no, sigue por la

siguiente instrucción. # clrf f : borra el contenido del registro f.

10K

680

+5V

27pF

RA0

RA1

PIC16F84

OSC1

OSC2

VDD

RB7

RB6

RB5

RB4

RA2

RA4/T0CKI

VppMCLR /

VSS

RB0/INT

RB1

RB2

RB3

RA3

27pF

4MHz

10K

100

VDD

VDD


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Ejemplo 3-Leer y sacar datos por los puertos, condiciones (II)

List p=16f84

STATUS equ 0x03 PORTA equ 0x05 PORTB equ 0x06

org 0x00 goto INICIO org 0x05 ;salta el vector de interrupción

INICIO bsf STATUS,5 ;cambia al banco1 clrf PORTB ;Puerto B configurado como salidas movlw b’00011111’ ;Puerto A configurado como entradas movwf PORTA bcf STATUS,5 ;cambia al banco0

BUCLE btfsc PORTA,0 ;¿RA0=0? salta si RA0 es ‘0’ goto RA0_es_1 bsf PORTB,0 ;pone a ‘1’ RB0, enciende el led goto BUCLE

RA0_es_1 bcf PORTB,0 ;pone a ‘0’ RB0, apaga el led goto BUCLE

end

INICIO


Configuración de E/S

RA0 ON RA0=’0’

Encender led RB0 =’1’

Apagar led RB0 =’0’

SI

NO

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